CN115791352A - 模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件、其制备方法及模型定位装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件、其制备方法及模型定位装置，利用高脆性树脂浇注成型模拟工程岩体、并通过模型定位装置在其内埋设隧道和地下洞室模型及不良地质结构体的3D模型，解决现有模拟试件无法直观清楚观察到失稳过程中地下洞室和节理的影响关系的技术问题。本申请基于工程现场来预埋隧洞和地质结构体，同时借助树脂的透明性可清晰观察到不良地质体对围岩和洞室破坏的影响全过程，为地下洞室的安全性研究提供了新的可视化模型及试验方法。

Description

模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件、其制备方法及模型 定位装置

技术领域

本申请涉及岩体模型试验检测技术领域，具体涉及一种模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件、其制备方法及模型定位装置。

背景技术

随着公路、铁路、水利、矿山、跨海等高难度隧道工程的发展，伴随距离特长、埋深特深、地质条件特复杂而产生的隧道施工不安全问题随之增多。隧道工程建设过程中岩爆、大变形、大面积塌方、突水突泥等地质灾害事故频发，造成人员伤亡、设备损失、工期延误和工程失效。对于川藏铁路重大工程，由于其地处地球多圈层内外动力强烈耦合作用区，在隧道建设过程中针对节理裂隙、断层、溶洞、地下水、破碎带等复杂地质条件的施工和安全防护技术将面临巨大挑战。

由于隧道和地下工程的独特性与地质复杂性，不良地质体一直是决定稳定与否的控制性因素，但岩体都是不透明的，无法直接观察到围岩内部灾害和破裂演化情况，虽能借助钻芯取样、超声波、CT扫描等辅助手段，但是其造价高昂且仍不够直观。发明人知晓的方法是使用岩石和砂浆块体作为相似材料，来模拟研究岩体的破裂演化规律；或者采用有机玻璃来模拟岩石，从外部打孔至试件中心，注入水压或气压产生劈裂裂缝。

但本申请发明人在实现本申请实施例中技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：对于采用岩石和砂浆块体作为相似材料，因其材料不透明，无法追踪到内部破裂的演化过程，且难以制作出与工程实际相一致的隧道和地下洞室模型及不良地质结构体，即使采用冷热循环法制作节理裂隙，也会因节理大小的不确定性和分布的随机性，而难以开展可重复试验；对于采用有机玻璃来模拟岩石，由于有机玻璃与岩石特性相差较远，因此代表性低，且不能在其中进行隧洞和不良地质结构体的布设。

公开于该背景技术部分的信息仅用于加深对本公开的背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

发明人通过研究发现：树脂材料具有透明度高、整体性好、可预埋缺陷和裂隙、在低温下与岩石力学性能接近等优点。

鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件、其制备方法及模型定位装置，利用高脆性树脂浇注成型模拟工程岩体、并通过模型定位装置在其内埋设隧道和地下洞室模型及不良地质结构体的模型，解决现有模拟试件无法直观清楚观察到失稳过程中地下洞室和节理的影响关系的技术问题。

根据本公开的一个方面，提供一种模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件，包括由高脆性透明树脂浇注成型的用以模拟各种自然界的工程岩体的类岩体及埋设其内的隧道、地下洞室模型或/和不良地质结构体；

所述高脆性透明树脂于-15～-10℃下具有良好的类岩石特性，其由CY-39型环氧树脂和YS-T31型固化剂按100：34的质量比组成；所述隧道或/和地下洞室模型通过3D打印制成；所述地质结构体包括3D打印制成的隧道掌子面前方或/和其周边的溶洞地质缺陷、以及由透明云母片制成的真实岩体中广泛存在的节理面、宏观断层或/和软弱夹层。

在本公开的一些实施例中，所述隧道/地下洞室模型的3D打印分别采用聚氯乙烯、合金钢、光敏树脂、尼龙作为打印材料，并按照对应的缩尺比例打印、切割、粘接得到试验所需尺寸且分别用于模拟毛洞成型、全断面钢筋混凝土衬砌、混凝土体、薄层喷射混凝土支护的模型。

在本公开的一些实施例中，所述隧道或/和地下洞室模型为马蹄型、圆型或/和坦三心圆型，其隧道或/和地下洞室结构布设任意长度或贯通至试件本体外，用以模拟隧洞不同施工进度或/和开挖前的预支护；所述隧道模型包含小净距隧道、交叉隧道、上/下穿隧道、联络通道、人行横道及相互之间的组合；所述地下洞室模型包括具有规则界面的盐岩地下洞室、以及结构复杂的水电站地下厂房洞室。

在本公开的一些实施例中，所述不良地质结构体模型包括溶洞缺陷和节理面/宏观断层/软弱夹层；所述溶洞缺陷模型采用聚氯乙烯作为3D打印材料打印按自然溶洞同比例缩小的不规则腔体，且该腔体预留有用于向腔体内注水的小口，注满水后对该小口进行胶封，用以模拟富水溶洞；所述节理面/宏观断层/软弱夹层采用透明云母片为原料，分别经钢模具冲压裁剪为试验对应所需形状；且所述节理面模型采用单个云母片模拟；所述宏观断层模型采用接触面间涂有润滑油的两相同云母片叠合制备；所述软弱夹层采用接触面间涂有胶水的两相同云母片叠合制备。

在本公开的一些实施例中，所述钢模具包括具有一定厚度的钢模板、钢冲，所述钢模板设有横截面轮廓与设计云母片形状相同的槽口，所述钢冲为柱体且外轮廓与所述槽口相匹配。

根据本公开的另一个方面，提供一种用于模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件制备的模型定位装置，包括设有提手的底板、分别固定于所述底板两侧的两支腿、分别对应连接于所述两支腿顶部且与所述底板平行的两梁臂、固定所述两支腿间且与所述底板垂直的横撑板、设于所述两梁臂顶面的升降机构、与所述升降机构顶端对应连接的网格板、用于放置于所述底板上且侧面与所述横撑板贴合的试件浇筑模具、用于系于所述网格板对应位置处悬挂隧道/地下洞室/不良地质体模型于所述试件浇筑模具中设计空间位置处的悬挂绳。

所述升降机构包括设于一侧梁臂上的两弹簧升降柱、设于另一侧梁臂上的两螺纹升降柱及与之对应的升降控制台。

所述弹簧升降柱包括与所述梁臂对应连接的弹簧部柱座、嵌设于所述弹簧柱座内的弹簧、与所述弹簧对应连接的弹簧部升降杆。

所述螺纹升降柱包括与所述梁臂对应连接的螺纹部柱座、通过轴承嵌设于所述螺纹部柱座内且设有内螺纹的空心转杆、固定套设于所述转杆外的水平向斜面齿轮、设有与所述转杆螺纹相配合外螺纹的螺纹升降杆。

所述升降控制台包括与所述两螺纹部柱座或所述梁臂对应固定连接的台座、设与所述台座两端的耳板、通过轴承对应嵌设于两耳板通孔间的连轴、固定套设于所述连轴上且与所述两水平向斜面齿轮分别对应啮合的两竖直向斜面齿轮、设于所述连轴一端的摇手。

在本公开的一些实施例中，所述网格板包括长方形边框、分别均匀焊接排布于该边框两组相对框边间的各横向筋和竖向筋，所述横向筋和/或竖向筋采用无螺纹钢筋，且所述横撑板与所述网格板各横向筋中的一条共面；所述试件浇筑模具为有机高分子硅胶材质，所述悬挂绳采用细棉线。

根据本公开的再一个方面，提供一种上述类岩石试件的制备方法，基于上述模型定位装置而实施，包括如下步骤：

（1）隧道/地下洞室/不良地质结构体模型制备；根据试验试件浇筑模具的尺寸对需模拟的隧道/地下洞室/不良地质结构体确定对应模型的缩尺比例，采用3D打印和/或透明云母片加工制作相应的隧道/地下洞室/不良地质结构体的模型。

（2）树脂浇注料制备；取用CY-39型环氧树脂和YS-T31型固化剂，按100：34的质量比拌合均匀并于真空机中去除气泡。

（3）隧道/地下洞室/不良地质结构体模型于试件浇筑模具中的空间定位；通过转动摇手调整所述模型定位装置网格板的高度，以适应试验所需试件浇筑模具的高度，并将试件浇筑模具对应侧面与装置横撑板贴合；采用于网格板各筋对应位置处悬挂坠线和/或在试件浇筑模具上穿孔牵线的方式将试验所需隧道/地下洞室/不良地质结构体模型固定至试件浇筑模具中相应空间位置处。

（4）试件浇筑及养护成型；向布设完隧道/地下洞室/不良地质结构体模型的试件浇筑模具中引流浇入所述树脂浇注料，并进行除气泡处理后，于15～20℃下恒温干燥养护40～50h，待浇注试件力学强度≥40 MPa时脱模，再于70～80℃下恒温干燥养护45～50h。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（3）中，所述隧道/地下洞室/不良结构体中的溶洞缺陷模型采用一端通过强力胶与模型固定，另一端系于网格板中的至少两根细棉线悬挂于试件浇筑模具中设计空间位置处，并通过控制所述细棉线的长度和在网格板中的固系位置调整模型的角度和方位。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤（3）中，所述不良结构体中的节理面/宏观断层/软弱断层模型的定位，先据其设计空间位置在试件浇筑模具相对的两侧板上定位出其投影点，再采用两端分别用强力胶固定于云母片表面及试件浇筑模具侧面对应投影点位置处的紧绷细棉线进行模型的空间定位。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下任一技术效果或优点：

1. 由于采用了树脂材料制备类岩石试件，通过树脂材料透明的特性，确保能够准确直观观察到试件受力破坏过程中多种不良地质体对地下洞室/隧道的影响程度，解决了现有技术中岩石砂浆材质的类岩石试件无法观测试件内部变化的技术问题。

2. 采用脆性度指标(试件抗压和抗拉强度比)高达6.6的树脂材料，在-15～-10℃下具有良好的类岩石特性，相比现有相关透明类岩石材料如有机玻璃的脆性度指标提高了约一倍，更为接近真实岩石的脆性特征，有效解决了现有技术中采用玻璃等透明类岩石材料与真实岩石脆性特征具有一定差距的技术问题，进而保证树脂材料类岩石试件的模拟可靠性。

3. 隧道/地下洞室/溶洞地质缺陷采用不同材质的打印材料，通过3D打印制作而成，经过切割、粘接可形成任何所需形状，且成型精度高，可精确至0.01mm，有效解决了手工制作模型所带来的操作难度大、精度控制低，以及尖角和应力集中等缺陷。

4. 以高脆性云母片成型对应的节理面、宏观断层和软弱夹层等不良地质体模型，通过钢模具冲压成型，能够预制多种类型、尺寸的不良地质体模型，仿真程度高。

5. 由于采用了网格板高度可调的模型定位装置，有效解决了隧道/地下洞室/不良地质结构体模型在试件浇筑模具中的空间定位问题，通过控制固系于网格板中或试件浇筑模具侧面板中的细棉线的长度和位置，可方便的调整各模型在试件浇筑模具中的朝向方位。

6．由于试件浇筑模具在使用时其对应侧面与模型定位装置的横撑板相贴合，且横撑板与网格板中一横向筋共面，由此方便了悬挂绳固系位置的计算。

附图说明

图1为本申请一实施例中所制备地下洞室模型实物图（a为白色尼龙地下洞室，b为黑色尼龙地下洞室，c为光敏树脂地下洞室）。

图2为本申请一实施例中隧道开挖掌子面前方具有不良地质体（溶洞缺陷）的试件模型示意图。

图3为本申请一实施例中钢模具使用的爆炸示意图。

图4为本申请一实施例中模型定位装置的使用状态示意图。

图5为本申请一实施例中模型定位装置的弹簧部升降柱的爆炸结构示意图。

图6为本申请一实施例中模型定位装置的螺纹部升降柱的爆炸结构示意图。

图7为本申请一实施例中模型定位装置的升降控制台的结构示意图。

图8为本申请一实施例中模型定位装置的螺纹部升降柱与升降控制台的配合示意图。

图9为本申请一实施例中所制备得到的试件第一加载阶段结束、第二加载阶段开始时的节理面处次生裂隙发育情况（a为侧视图，b为正视图）。

图10为本申请一实施例中所制备得到的试件中第二加载阶段结束、第三加载阶段开始时的节理面处次生裂隙发育情况（a为侧视图，b为正视图）。

以上各图中，1为底板，20为支腿，21为横撑板，22为梁臂，3为弹簧升降柱，30为弹簧部柱座，31为弹簧，32为弹簧部升降杆，40为螺纹升降柱，400为螺纹部柱座，401为轴承，402为转杆，403为水平向斜面齿轮，404为螺纹升降杆，41为升降控制台，410为台座，411为耳板，412为连轴，413为竖直向斜面齿轮，414为摇手，5为网格板，6为试件浇筑模具，7为隧道/地下洞室/不良地质体模型，8为悬挂绳，90为钢模板，91为钢冲。

具体实施方式

为了更好的理解本申请技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

以下实施例中所涉及的零部件、结构、机构等器件，如无特别说明，则均为常规市售产品。

本例公开一种模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件，其包括由高脆性透明树脂浇注成型的用以模拟各种自然界的工程岩体的类岩体及埋设其内的隧道、地下洞室模型或/和不良地质结构体。

考虑到普通树脂在固化过程中会产生大量的热，而树脂导热性差，散热不均，导致试件成型效果不好，若再嵌入节理面和地下洞室，则其成型更为困难，且其力学性能和真实岩石相差较大，此外，为能直观观察到试件内部的结构变化，要求试件具有良好的通透性。因此，为模拟真实岩石的物理力学参数及满足试件透明性以观察内部变化的要求，将CY-39型环氧树脂和YS-T31型固化剂以质量比100：34进行混合，二者在固化过程中不产生热量，易于成型高透明试件。参见表1，本例所采用的树脂材料在-10～-15℃时具有明显的脆性，在进行压缩试验时可呈现脆性的断裂特征，拉压比能达到6.7/1，与真实岩石的力学参数较为接近，可在一定程度上模拟自然岩石，保证试验结果的可信度。

表1 本例中树脂材料在-15～-10℃下和其它透明类岩石材料以及部分真实岩石的物理力学参数对比

。

隧道或/和地下洞室模型通过3D打印制成，3D打印的成型精度高，可精确至0.01mm，可有效克服手工制作模型所带来的操作难度大、精度控制低以及尖角和应力集中等缺陷。

其中，参见表2，根据各种打印材料的物理力学参数，隧道/地下洞室模型模拟毛洞成型，采用厚度0.2 mm的PVC，因其强度极低，只具有成型作用而不影响试件的原有强度；对于全断面钢筋混凝土衬砌，其内部钢筋采用的是3-D打印合金钢材料，混凝土体则采用的是光敏树脂；对于薄层喷射混凝土支护，由于其强度较低，采用的是尼龙进行模拟。此外，对于隧道/地下洞室模型的空间结构，可借助3D打印的优势，打印成型各种所需形状，其单体形状包含马蹄型、圆型和坦三心圆型等，对于地下洞室模型，可打印成型包括具有极不规则界面的盐岩地下洞室，以及结构极为复杂的水电站地下厂房洞室等。

表2 洞室3-D打印材料的物理力学参数

。

在本实施例中，参见图1，选取尼龙(黑色和白色两种)、透明光敏树脂材料，各制作圆形截面(直径为9 mm)、马蹄形截面(宽9 mm，高11 mm)、坦三心圆截面(宽9.5 mm，高10mm)三种隧道截面，共制作9个地下洞室模型，地下洞室壁厚2 mm，模拟二次衬砌，洞室前端厚0.1 mm，仅起到支撑试件成型的作用，并不具备力学意义。

在其它的一些实施例中，参见图2，对于不良地质结构体中的溶洞，采用0.2mm厚度PVC打印制作的不规则腔体，并可模拟表面嶙峋突兀，能够和自然界真实溶洞保持一致，同时预留小口，待注射器通过该小口向溶洞模型腔室内注满水后再进行胶封，后续埋入试件中以模拟富水溶洞对隧道的影响。

此外，节理面、宏观断层和软弱夹层等不良地质结构体由透明云母片制作而成，云母片具有较好的脆性，刚度低，不会约束试件变形、方便裂隙的定位且更接近赋存于岩体中的裂隙。在本实施例中，云母片厚度0.11 mm，采用钢模具冲压成形，经该钢模具处理的云母片边缘整齐，避免了毛边、尺寸缺陷等带来的应力集中现象；其中，钢模具包括具有一定厚度的钢模板90、钢冲91，钢模板设有横截面轮廓与设计云母片形状相同的槽口，钢冲91为柱体且外轮廓与槽口相匹配，在本实施例中，参见图3，钢模板共设四个不同形状的槽口，分别为φ15 mm圆形、13×20 mm、15×20 mm、12×17 mm椭圆形，以及与该四个槽口相匹配的四个钢冲91，使用时，根据所需的云母片形状选择相应的槽口，将云母片完全覆盖于该槽口，然后取用对应形状的钢冲91，对准槽口，用锤子敲击，通过钢冲边缘与其对应槽口的边缘相互挤压，实现云母片92精确无毛边的裁切，进而确保所制作的节理面尺寸稳定，边界光滑，避免云母片制作完成后因边界粗糙而出现应力集中现象。

其中，对于节理面的模拟，采用单个云母片进行模拟，通过上述钢模具冲压成不同的形状，如长方形、圆形、椭圆形等；对于宏观断层的模拟，由于其不具备抗滑强度，因此模拟方法是将两个大小相同的云母片上下叠放，中间涂抹润滑油；对于软弱夹层，由于其自身仍有一定粘结强度，但远小于完整岩体，因此模拟方法是将两个大小相同的云母片上下叠放，中间涂抹胶水。

本例还公开一种模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件制备过程中的模型定位装置，参见图4，其包括设有提手10的底板1、分别固定于底板1两侧的两支腿20、分别对应连接于两支腿20顶部且与底板1平行的两梁臂22、固定两支腿20间且与底板1垂直的横撑板21、设于两梁臂22顶面的升降机构、与升降机构顶端对应连接的网格板5、用于放置于所述底板上且侧面与横撑板21贴合的试件浇筑模具6、用于系于网格板5对应位置处悬挂隧道/地下洞室/不良地质体模型7于试件浇筑模具6中设计空间位置处的悬挂绳8。

底板1采用长方形钢板制成，作为整个模型定位装置装置的底板，便于装置整体位置的移动和调整，且通过底板的水平表面提供一个平整的试件浇筑模具放置面。为了方便底板1及装置的搬运，在底板1的上表面还焊接有提手10，在本实施例中，在底板1的两对角转角处分别设有一提手10，以提供搬运时的受力点。

在底板1上左右对称的布设有两支腿20，用以支撑网格板5于一定高度，以便于后续试验操作中悬挂绳8的固系。在本实例中，参见图4，两支腿20分别为T字型结构，包括水平撑和竖直撑，其中，水平撑焊接固定于装置底板1顶面对应位置处，竖直撑垂直于水平撑设置且设于水平撑的一侧。在其他的一些实施例中，两支撑腿包括竖向撑，且该竖向撑两侧分别加设撑筋，用以和竖向撑与底板间形成三角形稳定结构。在两支腿20的竖直撑间焊接有一块与底板1垂直的横撑板21，该横撑板21一方面通过作为连接筋加强两支腿20的垂直度和稳固性，另一方面，提供给试件浇筑模具6一贴靠面，通过试件浇筑模具6一侧面与该横撑板21的贴合，使得试件浇筑模具6与网格板5的横向筋平行，避免二者间存在夹角导致的模型悬挂点位计算的复杂性。此外，两支腿20的顶面分别固定焊接有两梁臂22，两梁臂22分别与该侧的支腿水平撑平行设置，用以提供升降机构的装设点位。

升降机构包括设于一侧梁臂22上的两弹簧升降柱3、设于另一侧梁臂上的两螺纹升降柱40及与之对应的升降控制台41。

弹簧升降柱3参见图5，其包括与梁臂22对应连接的弹簧部柱座30、嵌设于弹簧柱座30内的弹簧31、与弹簧31对应固定连接的弹簧部升降杆32。弹簧部柱座30为空心圆柱体结构，该空心截面的直径与弹簧31的外轮廓相匹配，以便于该弹簧31能置于弹簧部柱座30内，在弹簧部柱座30的空腔内随弹簧部升降杆32压缩或伸长。且弹簧部柱座30的空心圆柱体并不贯通与该弹簧部柱座30，在未贯通侧设有一直径小于该空心腔体直径的伸缩孔，用于弹簧部升降杆32的穿设。参见图5，弹簧部升降杆32的一端设有肩台，该肩台的底面与弹簧32焊接，且需保证弹簧与该弹簧部升降杆32同轴心，通过肩台与伸缩孔间的限位作用，以便于弹簧部升降杆32能嵌合入弹簧部柱座30内且不脱离该柱座而随外力上下运动。在本实例中，参见图4，在一侧梁臂22上左右对称的布设两个弹簧升降柱3。在其他的实施例中可设置其他数量的弹簧升降柱3。

螺纹升降柱40包括与梁臂22对应连接的螺纹部柱座400、通过轴承401嵌设于螺纹部柱座400内且设有内螺纹的空心转杆402、固定套设于转杆402外的水平向斜面齿轮403、设有与转杆402螺纹相配合外螺纹的螺纹升降杆404。在本实施例中，左右对称设置两个螺纹升降柱40，参见图6，其中，螺纹部柱座400为设有与该圆柱形座体同轴心的圆柱形空腔，且与梁臂22间焊接固定。转杆402上固定设有水平向斜面齿轮403，为使得水平向斜面齿轮403受力时能带动转杆402相对与梁臂22焊接固定的螺纹部柱座400间转动，故通过轴承401将转杆402与螺纹部柱座400相对转动连接。在本实施例中，采用两个轴承401，分别设于置于螺纹部柱座内部的转杆部分两端，轴承401内环与转杆402对应连接，轴承401外环与螺纹部柱座400对应连接，其中，为了方便轴承的安设，设置螺纹部柱座400的高度，与转杆402于水平向斜面齿轮403对应侧杆体的长度一致，以便于轴承装设部位位于螺纹部柱座400的两端。为了使水平向斜面齿轮403在带动转杆402转动的同时实现升降的目的及要求，该转杆402位于水平斜面齿轮403的另一侧为设有内螺纹的空心杆体，同样的还设有与该空心杆体内螺纹相配合外螺纹的螺纹升降杆404，用于螺纹连接至转杆402中。螺纹升降杆404的顶面后续用于与网格板对应焊接，由于网格板四角分别通过对应的弹簧升降柱3或螺纹升降柱4固定于两侧梁臂，故相当于螺纹升降杆404相对于整个装置不发生转动，因此，在转杆402随水平向斜面齿轮403转动时，螺纹升降杆在螺纹配合下，实现升降。

为了驱动水平向斜面齿轮403转动，进而驱动螺纹升降杆升起和下降，还设有升降控制台，参见图7，其包括与两螺纹部柱座400或所述梁臂22对应固定连接的台座410、设与台座410两端的耳板411、通过轴承对应嵌设于两耳板411通孔间的连轴412、固定套设于连轴412上且与两水平向斜面齿轮403分别对应啮合的两竖直向斜面齿轮413、设于连轴412一端的摇手414。本实施例中台座410采用角钢制作，焊接于两螺纹部柱座400间且与梁臂22平行，在其他的一些实施例中，该台座410为两侧设有支撑架的钢板，两支撑架分别为三角形结构且与对应与两螺纹部柱座400焊接。在另外的一些实施例中，台座410焊接于梁臂22上且与该梁臂保持平行。此外，在台座410的两侧分别设有耳板411，该耳板411的通孔直径大于连轴412的直径，以便于连轴412通过两分别设于两侧耳板411通孔中的轴承与耳板连接，实现连轴412可相对于台座410及耳板411间相对转动。连轴412上固定设有两竖直向斜面齿轮413，其布设位置和齿轮朝向需保证其可与螺纹部升降柱中水平向斜面齿轮403相啮合，参见图8，以便于竖直向斜面齿轮413在随连轴412转动时，通过齿轮啮合，实现传动，以驱动水平向斜面齿轮的转动。另外，在本实例中为方便人工转动连轴，在连轴412的一端还设有摇手414。在其它的一些实施例中，该连轴一端与电机转子对应连接，采用电机驱动。

由此，在本实施例中，通过升降控制台41便可控制螺纹部升降柱40的升起和降落，由此带动与之焊接的网格板5升降，另一侧的弹簧部升降柱3依靠其内部弹簧的弹性，支撑弹簧部升降杆，对网格板5起到辅助支撑的作用。网格板在本实施例中包括尺寸为300mm×500mm的长方形边框、分别均匀焊接排布于该边框两组相对框边间的各横向筋和竖向筋，各横向筋和/或竖向筋采用无螺纹钢筋，相邻筋间距离为20mm，共设15排横向筋和25排纵向筋，形成边长为20mm的正方形网格。此外，该网格板的尺寸及安装位置，需满足其在底板上的投影能完全覆盖与横撑板21贴合的试件浇筑模具6，且在本实施例中，横撑板21与网格板5各横向筋中的一条共面，由此保证试件浇筑模具6与横撑板21相贴合的侧面与该横向筋共面，进而方便计算后续悬挂绳8的固系点位。

树脂材料类岩石试件的浇筑需要使用试件浇筑模具6，在本实施例中，为进行单双轴和/或多轴压缩破坏试验，试件浇筑模具6为有机高分子硅胶材质的盒状模具，该盒状模具壁厚3mm，内部长宽高为140mm×70mm×90mm，其中，盒状模具的高度需要大于待制作试件的高度，以避免浇筑时外溢。在其它的一些实施例中，为进行巴西劈裂试验，采用圆筒型高分子硅胶材质模具。此外，各种尺寸类型的模具贴合或相切横撑板放置于底板上后，其与网格板平行的顶面需为开口，以便于通过固系于网格板各处的悬挂绳定位隧道/地下洞室/不良地质结构体模型于试件浇筑模具设计位置处，待后续浇筑成型。此外，在本实施例中，悬挂绳采用细棉线。

本例还公开一种具有地下洞室和节理面的类岩石试件制备方法，基于上述模型定位装置而实施，包括如下步骤：

（1）隧道/地下洞室/不良地质结构体模型制备；根据试验试件浇筑模具的尺寸对需模拟的隧道/地下洞室/不良地质结构体确定对应模型的缩尺比例，采用3D打印和/或透明云母片加工制作相应的隧道/地下洞室/不良地质结构体的模型。

首先根据隧道/地下洞室/不良地质结构体真实大小及设计的试件尺寸确定隧道/地下洞室/不良地质结构体模型的缩尺比例，再进行3D建模确定隧道/地下洞室的对应模型。建模完成后，为了保证模型的均一性及可重复使用性，根据本例上述所公开的各类模型的打印材料，选取对应的3D打印材料进行3D打印或采用透明云母片加工制作相应的隧道/地下洞室/不良地质结构体的模型。

（2）树脂浇注料制备；取用CY-39型环氧树脂和YS-T31型固化剂，按100：34的质量比拌合均匀并于真空机中去除气泡。

将CY-39型环氧树脂和YS-T31型固化剂以质量比100：34进行混合，二者在固化过程中不产生热量，易于成型高透明试件，且混合后放入真空箱中20分钟去除气泡，以提高试件成型质量。

（3）隧道/地下洞室/不良地质结构体模型于试件浇筑模具中的空间定位；通过转动摇手调整模型定位装置网格板的高度，以适应试验所需试件浇筑模具的高度，并将试件浇筑模具对应侧面与装置横撑板贴合；采用于网格板各筋对应位置处悬挂坠线和/或在试件浇筑模具上穿孔牵线的方式将试验所需隧道/地下洞室/不良地质结构体模型固定至试件浇筑模具中相应空间位置处。

对于不同的试验类型需要确定不同结构类型的试件浇筑模具，本实施例中公开一种一面开口，壁厚3mm，且内壁尺寸为140×70×90 mm的用于制作140×70×70 mm尺寸试件块的盒状硅胶模具，进行单双轴和多轴压缩破坏实验；还公开一种进行巴西劈裂试验的圆筒形硅胶模具，该圆筒型硅胶模具壁厚2 mm，内部尺寸为φ50×100 mm，所制作出的试块尺寸为φ50×50 mm。

确定完试验所需试件浇筑模具的尺寸后，便可进行隧道/地下洞室/不良地质结构体模型于试件浇筑模具中的空间定位。可先在CAD软件中画出试件的侧面图，调整各模型的所处位置。其中，隧道和地下洞室模型，可在试件内布设任意长度或贯通至试件本体外，用于模拟隧洞不同施工进度和开挖前的预支护；此外，参见图7，隧道模型布设的立体结构包含小净距隧道、交叉隧道、上（下）穿隧道、联络通道或人行横道，以及相互之间的组合工况等。

各模型于试件浇筑模具中的空间固定位置确定完毕后，将试件浇筑模具置于模型定位装置底板上，使模具的侧面与横撑板贴合且模具开口朝向网格板。根据确定的各模型空间位置，利用细棉线悬挂及牵引，布设各隧道/地下洞室，以及在洞室的周围预设各种形状的节理，包括圆形节理、椭圆形节理、矩形节理及断层等，形成符合工程地质条件的节理岩体隧道/地下洞室。其中，隧道/地下洞室/不良结构体中的溶洞缺陷模型的预设采用细棉线悬挂的方法，采用至少三根细棉线，根据设计位置，将各细棉线的一端通过强力胶与模型固定，另一端系于网格板中的各筋上，并通过控制所述细棉线的长度和在网格板中的固系位置调整模型的角度和方位。

对于不良结构体中的节理面/宏观断层/软弱断层模型的定位，先据其设计空间位置在试件浇筑模具相对的两侧板上定位出其投影点，然后在试件模具侧板面的各投影点对应处分别钻设小孔，再用柔软的棉线顺次穿过每个小孔，并在棉线端部涂上耐高温的强力胶，以将棉线端部固定于对应的节理面/宏观断层/软弱断层云母片模型上，穿设于模具侧面处的细棉线位置处同样采用胶体进行封堵固定，且保证棉线的紧绷，从而完成节理面的预设；此外，可以通过棉线位置和角度来控制节理面和地下洞室的相对位置和方向，来模拟不同场景不同工况下节理面/宏观断层/软弱断层的布置。在本实施例中，节理面布置在掌子面前方时，节理面中心距离掌子面8 mm，在地下洞室上方和下方时，节理面中心分别距地下洞室上下侧10 mm；节理面有平行排列、雁形排列、成群排列等方式；节理面方向与地下洞室前进方向成45°夹角，以实现剪切节理的力学特性。

（4）试件浇筑及养护成型；向布设完隧道/地下洞室/不良地质结构体模型的试件浇筑模具中引流浇入所述树脂浇注料，并进行除气泡处理后，于15～20℃下恒温干燥养护40～50h，待浇注试件力学强度≥40 MPa时脱模，再于70～80℃下恒温干燥养护45～50h。

根据设计位置使用棉线及强力胶将各模型固定于有机高分子硅胶模具内后，需等待10分钟待各模型处强力胶牢固后才可浇筑树脂，将制备和处理的混合料用玻璃棒引流入模具中浇注成型，浇筑完成后将模具放入真空箱中做除气泡处理20分钟，其中在除气泡工序时，因地下洞室和硅胶模具形成一个密闭的空间，在真空箱中除气泡时会导致试件损坏，因此需要在硅胶模具上钻孔使地下洞室内部与外部相连通，防止损坏。除气泡处理后，于15～20℃下恒温干燥养护40～50h，在本实施例中，将模具放入18℃恒温干燥箱养护36小时完成固化过程。待浇注试件力学强度≥40 MPa时脱模，再于70～80℃下恒温干燥养护45～50h。在本实施例中，将脱模后的试件放入恒温为75℃恒温鼓风干燥箱养护48小时，至此完成试件制作。

为验证本申请模拟隧道及地下洞室的树脂类岩石试件的模拟有效性，采用机械测试和模拟(MTS)岩石力学试验系统进行加载试验，单轴压缩下，分别选三个试件试验，均以0.1 MPa/s的加载速率进行加载，并用摄像机全程记录试件受压变形过程。当试件1加载至91 MPa时发生破坏，即试件抗压强度约为91 MPa。观察摄像机可知，将试件的受压变形过程分为三个阶段，参见图9和图10，第一个阶段为节理面萌发阶段：在这个阶段，地下洞室上方的椭圆形节理面首先沿长轴方向萌发裂纹，增长速度很快；第二个阶段为节理面扩展阶段：此阶段节理面裂纹已经沿长轴方向发展成一定规模并与地下洞室相连接，裂纹开始沿横轴方向发展，竖向同时扩展但速率较慢；第三个阶段为卷曲面发展阶段，此阶段节理面裂纹呈卷曲面向周围继续扩展，与试件边界相连接，然后破坏。

因本试件具有高透性，故可以通过观察将试件2加载至第一阶段结束、第二阶段开始即停止加载，得知压力为34 MPa；将试件3加载至第二阶段结束，第三阶段开始即停止加载，可知压力为63 MPa。本实验充分发挥了本试件高透性的优势，可以通过观察将其各自加载到某一节理面裂纹扩展状态后卸载并取出拍照，通过相互对比可排除偶然性，并归纳出试件破坏现象和规律。因本树脂试件含有地下洞室和节理面，其强度低于纯树脂试件。

试验表明，试件高透明，能够清晰观察到节理面裂隙萌发及发展的全过程，通过观察试件可知，当岩体受力时，节理面裂隙逐渐扩展，当节理面方向与地下洞室呈45°时，节理面扩展方向与地下洞室相垂直，会以较快速度连接到地下洞室，影响地下洞室的安全和稳定。如在隧道工程施工时，当探明岩体中存在节理面时，应在节理面垂直的部位增加衬砌强度。

尽管已描述了本申请的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请之发明精神和范围。这样，倘若对本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种模拟复杂隧道及地下洞室的类岩石试件，其特征在于，包括由高脆性透明树脂浇注成型的用以模拟各种自然界的工程岩体的类岩体及埋设其内的隧道、地下洞室模型或/和不良地质结构体；

所述高脆性透明树脂于-15～-10℃下具有良好的类岩石特性，其由CY-39型环氧树脂和YS-T31型固化剂按100：34的质量比组成；所述隧道或/和地下洞室模型通过3D打印制成；所述地质结构体包括3D打印制成的隧道掌子面前方或/和其周边的溶洞地质缺陷、以及由透明云母片制成的真实岩体中广泛存在的节理面、宏观断层或/和软弱夹层。

2.根据权利要求1所述的类岩石试件，其特征在于，所述隧道/地下洞室模型的3D打印分别采用聚氯乙烯、合金钢、光敏树脂、尼龙作为打印材料，并按照对应的缩尺比例打印、切割、粘接得到试验所需尺寸且分别用于模拟毛洞成型、全断面钢筋混凝土衬砌、混凝土体、薄层喷射混凝土支护的模型。

3.根据权利要求1所述的类岩石试件，其特征在于，所述隧道或/和地下洞室模型为马蹄型、圆型或/和坦三心圆型，其隧道或/和地下洞室结构布设任意长度或贯通至试件本体外，用以模拟隧洞不同施工进度或/和开挖前的预支护；所述隧道模型包含小净距隧道、交叉隧道、上/下穿隧道、联络通道、人行横道及相互之间的组合；所述地下洞室模型包括具有规则界面的盐岩地下洞室、以及结构复杂的水电站地下厂房洞室。

4.根据权利要求1所述的类岩石试件，其特征在于，所述不良地质结构体模型包括溶洞缺陷和节理面/宏观断层/软弱夹层；所述溶洞缺陷模型采用聚氯乙烯作为3D打印材料打印按自然溶洞同比例缩小的不规则腔体，且该腔体预留有用于向腔体内注水的小口，注满水后对该小口进行胶封，用以模拟富水溶洞；所述节理面/宏观断层/软弱夹层采用透明云母片为原料，分别经钢模具冲压裁剪为试验对应所需形状；且所述节理面模型采用单个云母片模拟；所述宏观断层模型采用接触面间涂有润滑油的两相同云母片叠合制备；所述软弱夹层采用接触面间涂有胶水的两相同云母片叠合制备。

5.根据权利要求4所述的类岩石试件，其特征在于，所述钢模具包括具有一定厚度的钢模板、钢冲，所述钢模板设有横截面轮廓与设计云母片形状相同的槽口，所述钢冲为柱体且外轮廓与所述槽口相匹配。

6.一种用于类岩石试件制备的模型定位装置，其特征在于，包括设有提手的底板、分别固定于所述底板两侧的两支腿、分别对应连接于所述两支腿顶部且与所述底板平行的两梁臂、固定所述两支腿间且与所述底板垂直的横撑板、设于所述两梁臂顶面的升降机构、与所述升降机构顶端对应连接的网格板、用于放置于所述底板上且侧面与所述横撑板贴合的试件浇筑模具、用于系于所述网格板对应位置处悬挂隧道/地下洞室/不良地质体模型于所述试件浇筑模具中设计空间位置处的悬挂绳；

所述升降机构包括设于一侧梁臂上的两弹簧升降柱、设于另一侧梁臂上的两螺纹升降柱及与之对应的升降控制台；

所述弹簧升降柱包括与所述梁臂对应连接的弹簧部柱座、嵌设于所述弹簧柱座内的弹簧、与所述弹簧对应连接的弹簧部升降杆；

所述螺纹升降柱包括与所述梁臂对应连接的螺纹部柱座、通过轴承嵌设于所述螺纹部柱座内且设有内螺纹的空心转杆、固定套设于所述转杆外的水平向斜面齿轮、设有与所述转杆螺纹相配合外螺纹的螺纹升降杆；

所述升降控制台包括与所述两螺纹部柱座或所述梁臂对应固定连接的台座、设与所述台座两端的耳板、通过轴承对应嵌设于两耳板通孔间的连轴、固定套设于所述连轴上且与所述两水平向斜面齿轮分别对应啮合的两竖直向斜面齿轮、设于所述连轴一端的摇手。

7.根据权利要求6所述的模型定位装置，其特征在于，所述网格板包括长方形边框、分别均匀焊接排布于该边框两组相对框边间的各横向筋和竖向筋，所述横向筋和/或竖向筋采用无螺纹钢筋，且所述横撑板与所述网格板各横向筋中的一条共面；所述试件浇筑模具为有机高分子硅胶材质，所述悬挂绳采用细棉线。

8.权利要求1所述类岩石试件的制备方法，其特征在于，基于权利要求6所述模型定位装置而实施，包括如下步骤：

（1）隧道/地下洞室/不良地质结构体模型制备；根据试验试件浇筑模具的尺寸对需模拟的隧道/地下洞室/不良地质结构体确定对应模型的缩尺比例，采用3D打印和/或透明云母片加工制作相应的隧道/地下洞室/不良地质结构体的模型；

（2）树脂浇注料制备；取用CY-39型环氧树脂和YS-T31型固化剂，按100：34的质量比拌合均匀并于真空机中去除气泡；

（3）隧道/地下洞室/不良地质结构体模型于试件浇筑模具中的空间定位；通过转动摇手调整所述模型定位装置网格板的高度，以适应试验所需试件浇筑模具的高度，并将试件浇筑模具对应侧面与装置横撑板贴合；采用于网格板各筋对应位置处悬挂坠线和/或在试件浇筑模具上穿孔牵线的方式将试验所需隧道/地下洞室/不良地质结构体模型固定至试件浇筑模具中相应空间位置处；

（4）试件浇筑及养护成型；向布设完隧道/地下洞室/不良地质结构体模型的试件浇筑模具中引流浇入所述树脂浇注料，并进行除气泡处理后，于15～20℃下恒温干燥养护40～50h，待浇注试件力学强度≥40 MPa时脱模，再于70～80℃下恒温干燥养护45～50h。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述隧道/地下洞室/不良结构体中的溶洞缺陷模型采用一端通过强力胶与模型固定，另一端系于网格板中的至少两根细棉线悬挂于试件浇筑模具中设计空间位置处，并通过控制所述细棉线的长度和在网格板中的固系位置调整模型的角度和方位。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述不良结构体中的节理面/宏观断层/软弱断层模型的定位，先据其设计空间位置在试件浇筑模具相对的两侧板上定位出其投影点，再采用两端分别用强力胶固定于云母片表面及试件浇筑模具侧面对应投影点位置处的紧绷细棉线进行模型的空间定位。

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